制作微通道板的玻璃纖維拉絲爐溫度場(chǎng)研究

叢曉慶，孫建寧，張珈瑋，劉文偉，張正君，徐 偉，錢 琳，李婧雯，孫賽林，阮 凱，林 正

制作微通道板的玻璃纖維拉絲爐溫度場(chǎng)研究

叢曉慶，孫建寧，張珈瑋，劉文偉，張正君，徐 偉，錢 琳，李婧雯，孫賽林，阮 凱，林 正

（北方夜視技術(shù)股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 211106）

制作微通道板的玻璃纖維需要經(jīng)過(guò)拉絲爐拉制而成，拉絲爐的溫度場(chǎng)分布直接影響絲徑的均勻性，而目前缺乏制作微通道板的玻璃纖維拉絲爐的理論研究，依靠經(jīng)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的拉絲爐性能差異較大，為此本文根據(jù)拉絲爐的實(shí)際結(jié)構(gòu)，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的三維模型，利用熱傳遞理論對(duì)模型進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究爐芯中心位置、加熱溫度均勻性和保溫層均勻性對(duì)拉絲爐內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響，根據(jù)理論分析結(jié)果對(duì)微通道板拉絲爐的改進(jìn)給出了3個(gè)方面的建議。

微通道板；拉絲爐；模型；溫度場(chǎng)

0 引言

微通道板（Micro Channel Plate，MCP）是一種多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄片玻璃，通道內(nèi)壁具有二次電子發(fā)射特性，可將電子進(jìn)行成千萬(wàn)倍的倍增，是實(shí)現(xiàn)微光夜視的關(guān)鍵元件[1]。在一定電壓下，對(duì)微通道板輸入空間分布均勻的電子流，經(jīng)過(guò)倍增后輸出的電子流均勻性的差異，也就是電子增益的差異，這種差異叫做固定圖案噪聲[2]。固定圖案噪聲是一直困擾我國(guó)微通道板技術(shù)進(jìn)步的屏障，解決固定圖案噪聲問(wèn)題是開(kāi)發(fā)高性能微通道板必須突破的關(guān)鍵。固定圖案噪聲主要取決于通道內(nèi)壁表面狀況和通道均勻程度。制作MCP需要制作大量的高精度玻璃纖維，而高精度玻璃纖維制造要經(jīng)歷玻璃預(yù)制棒制備和拉絲等具體工藝步驟[3]，在纖維拉制的過(guò)程中，拉絲爐內(nèi)的溫度場(chǎng)分布情況將直接影響著纖維的直徑和纖維端面的形狀，預(yù)制棒受熱不均，會(huì)導(dǎo)致復(fù)絲邊緣纖維的受熱程度不同，影響通道均勻程度，對(duì)微通道板固定圖案噪聲有著直接的影響，因此研究微通道板拉絲爐的溫度場(chǎng)分布狀況對(duì)解決固定圖案噪聲問(wèn)題有著重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于拉絲爐的研究成果大都集中在對(duì)光纖拉絲爐內(nèi)部熱量傳遞和氣流的研究方面[4-8]。文獻(xiàn)[4]建立了光纖拉絲爐內(nèi)部氣體溫度場(chǎng)模型，根據(jù)模型特點(diǎn)劃分了網(wǎng)格，利用數(shù)值模擬的方法探究了光纖拉絲爐內(nèi)部氣體溫度場(chǎng)的變化，并分析了有關(guān)參數(shù)對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[5]介紹了光纖感應(yīng)拉絲爐的渦流場(chǎng)分析方法，并建立了渦流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，在二維分析的基礎(chǔ)上，建立了感應(yīng)線圈和導(dǎo)體（石墨中心管）的三維模型，模擬了導(dǎo)體（石墨中心管）中的渦流場(chǎng)。文獻(xiàn)[6]對(duì)光纖拉絲爐內(nèi)部氣體流場(chǎng)及拉絲爐相關(guān)部件的溫度分布進(jìn)行了理論建模和數(shù)值模擬，根據(jù)二維和三維拉絲爐幾何模型，對(duì)光纖拉絲爐的內(nèi)部氣體流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算與分析。

上述研究成果主要對(duì)光纖拉絲爐進(jìn)行建模，對(duì)內(nèi)部熱量傳遞和氣流特性進(jìn)行分析與研究，但是微通道拉絲爐與光纖拉絲爐結(jié)構(gòu)具有本質(zhì)的區(qū)別，例如，微通道板拉絲爐與光纖拉絲爐相比較內(nèi)部不需要通惰性氣體，所以光纖拉絲爐有關(guān)研究成果無(wú)法應(yīng)用于微通道板拉絲爐設(shè)計(jì)中，因此，目前微通道板拉絲爐的設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，這樣設(shè)計(jì)而成的微通道板拉絲爐性能無(wú)法保證，為此本文以微通道板的實(shí)際結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立拉絲爐的數(shù)學(xué)模型，利用熱傳遞理論對(duì)拉絲爐的內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，分析得到影響拉絲爐溫度場(chǎng)分布的主要因素，并根據(jù)得到的理論分析結(jié)果，對(duì)微通道板拉絲爐的改進(jìn)，給出了3個(gè)方面的建議。

1 拉絲爐模型

根據(jù)現(xiàn)有的微通道板拉絲爐結(jié)構(gòu)，建立對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，并在該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立對(duì)應(yīng)的熱傳遞模型，重點(diǎn)研究影響拉絲爐溫度場(chǎng)分布的主要因素，包括：拉絲爐爐芯中心位置、加熱溫度均勻度、保溫層均勻度等。

1.1 拉絲爐結(jié)構(gòu)模型

拉絲爐的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)形式，其對(duì)應(yīng)的三維模型與二維截面圖如圖2和3所示，從圖中可以看出拉絲爐由主爐和副爐構(gòu)成，采用主爐加熱的方式，其中主爐采用的爐芯為加熱絲繞于碳化硅內(nèi)膽中，在爐殼和爐芯間塞有保溫層，副爐與主爐結(jié)構(gòu)相似，但是沒(méi)有纏繞加熱絲。

圖1 拉絲爐實(shí)物圖

圖2 拉絲爐三維幾何模型

圖3 拉絲爐二維截面示意圖

1.2 熱傳遞模型

根據(jù)微通道板拉絲爐結(jié)構(gòu)模型與熱傳遞理論，考慮拉絲爐的熱傳遞的3種形式，即：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。

1）熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是指熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個(gè)系統(tǒng)傳到另一系統(tǒng)的現(xiàn)象，在拉絲爐的內(nèi)部存在較多的熱傳導(dǎo)形式，例如加熱絲和碳化硅之間熱傳遞、碳化硅與保溫層材料之間的熱傳遞等，熱量從存在溫度梯度的高溫部分傳遞給低溫部分。

在分析拉絲爐內(nèi)部熱傳導(dǎo)形式時(shí)，所采用的熱傳導(dǎo)關(guān)系式如式(1)所示：

式中：為時(shí)間內(nèi)的傳熱量或者熱流量；為換熱面積；為熱傳導(dǎo)率或者熱傳導(dǎo)系數(shù)；hot和cold為拉絲爐內(nèi)熱傳導(dǎo)高、低溫度數(shù)值，且滿足hot＞cold；為熱傳導(dǎo)的距離。

2）熱對(duì)流

在拉絲爐主爐和副爐的空腔表面以及加熱爐外表面等固體表面與它周圍所接觸的空氣之間，由于存在著溫度差而引起熱量交換，該過(guò)程為熱對(duì)流形式，在該過(guò)程中，所交互的熱量2如式(2)所示：

2＝(s－B) (2)

式中：為對(duì)流換熱系數(shù)；s為加熱絲所繞的碳化硅表面和拉絲爐外表面等固體表面的溫度；B為各固體表面周圍對(duì)應(yīng)的空氣溫度。

3）熱輻射

拉絲爐內(nèi)加熱絲以及所繞的碳化硅等高溫物體通過(guò)熱輻射的形式向爐腔內(nèi)其他的物體傳遞熱量，所傳遞的熱量被爐腔內(nèi)的低溫物體所吸收，完成能量交互與傳遞，它們之間凈熱量傳遞量可以利用如式(3)所示的斯蒂芬-玻爾茲曼方程來(lái)計(jì)算：

式中：為熱流率；為實(shí)際物體的輻射率，它的數(shù)值介于0～1之間；為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，約為5.67×10－8W/(m2·K4)；1為輻射面1的面積；12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)；1為輻射面1的絕對(duì)溫度；2為輻射面2的絕對(duì)溫度。

2 仿真與結(jié)果分析

2.1 溫度場(chǎng)影響因素

為了簡(jiǎn)化模型性能研究，主要研究爐芯中心位置、加熱溫度均勻度和保溫材料均勻度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。

通過(guò)調(diào)節(jié)爐芯中心位置，研究在其他條件不變的前提下，爐芯中心偏移量對(duì)拉絲爐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響程度。

將加熱絲簡(jiǎn)化為獨(dú)立的加熱源進(jìn)行研究，通過(guò)設(shè)置加熱源溫度的大小，研究加熱溫度均勻度對(duì)拉絲爐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響程度。

為了研究保溫材料均勻度對(duì)拉絲爐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響程度，根據(jù)微調(diào)圖2所示拉絲爐的三維幾何模型，將保溫層整體均勻分割為8個(gè)部分如圖4所示，不同的部分設(shè)置相同或者不同的材料系數(shù)，則可以研究保溫層的均勻程度對(duì)拉絲爐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響程度。

2.2 模型參數(shù)

在對(duì)拉絲爐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布研究時(shí)，拉絲爐模型各構(gòu)成部件對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)如表1所示。

表1中未列出的其他參數(shù)如下：

1）拉絲爐外部空氣溫度假設(shè)為22℃；

2）加熱絲的基準(zhǔn)溫度為755℃，若研究加熱絲溫度不均勻情形，加熱絲的基準(zhǔn)溫度設(shè)置為745℃，對(duì)應(yīng)的溫度變化范圍為735℃～755℃；

圖4 保溫層等分模型圖

表1 拉絲爐構(gòu)成部件材料參數(shù)

3）保溫層的材料為氧化鋁纖維，材料對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)導(dǎo)熱系數(shù)如表1中所示為0.07W/(m2·K)，若研究保溫材料不均勻情形，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)變化范圍為0.06～0.07W/(m2×K)。

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)微通道拉絲爐的模型與參數(shù)設(shè)置，利用ANSYS軟件重點(diǎn)研究爐芯中心位置、加熱溫度均勻度和保溫材料均勻度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，其中包括理想模型情形和非理想情形，即其他因素保持不變的條件下，各主要因素對(duì)拉絲爐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響。

2.3.1 理想情形

在該情形中，爐芯中心位置無(wú)偏移、加熱絲加熱溫度保持一致，且保溫層材質(zhì)均勻一致，主爐腔體空氣層溫度場(chǎng)與副爐腔體空氣層溫度場(chǎng)分布分析具體如下：

1）主爐腔體空氣層溫度場(chǎng)

主腔空氣層、碳化硅層、加熱絲、保溫層和主腔外殼對(duì)應(yīng)的溫度分布如圖5所示。

主腔空氣層對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布和等溫線分布如圖6所示。

圖5 主腔溫度場(chǎng)分布圖

圖6 主腔空氣層對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布和等溫線分布圖

從圖5和圖6可以看出，在爐芯位置沒(méi)有偏移，保溫層纖維棉分布均勻，加熱絲溫度均勻的條件下，主腔空氣層在同一圓周上，溫度分布是均勻的，溫度分布沿徑向由外至中心逐漸減少。

2）副爐腔體空氣層溫度場(chǎng)

副腔空氣層對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布圖和等溫線分布如圖7所示。

從圖7可以看出，在同一圓周上，空氣層中心位置的溫度高于邊緣位置的溫度。

當(dāng)拉絲爐各組件材料質(zhì)地均勻，加熱絲各段阻值一致（加熱溫度均勻）時(shí)，拉絲爐各部分具有良好的對(duì)稱性，主爐和副爐中空氣層在同一圓周上，溫度分布是均勻的，不同的是，主爐溫度分布由外至中心逐漸減少，因?yàn)榭諝鈱蛹訜崾怯杉訜峤z加熱碳化硅后向爐膛中心輻射，而副爐溫度分布由中心向外逐漸減少，因?yàn)楦睜t的熱量由主爐從上向下傳遞至副爐。

2.3.2 非理想情形

在利用經(jīng)驗(yàn)實(shí)際制作拉絲爐時(shí)，加熱絲是利用純手工的方式纏繞于碳化硅爐膛內(nèi)，沿爐膛圓周方向的阻值分布是有差異的；在往爐殼內(nèi)裝爐芯時(shí)，由于沒(méi)有定位，導(dǎo)致?tīng)t芯的中心與爐子的中心是偏心的；保溫層采用的是硅酸鋁纖維棉，人工塞進(jìn)爐內(nèi)，保溫層分布往往不均勻。

針對(duì)如上非理想情形，為方便分析，研究其中一個(gè)作用條件發(fā)生變化而其他條件保持不變時(shí)，該條件單獨(dú)作用對(duì)拉絲爐溫度場(chǎng)分布的影響。同時(shí)考慮到纖維絲由主爐輸出時(shí)已經(jīng)變徑成形，副爐只是起到緩沖的作用，防止纖維絲驟冷，產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致斷裂，因此，非理想情形僅對(duì)主爐溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析。

1）爐芯位置對(duì)溫度場(chǎng)影響

主腔空氣層對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布和等溫線分布如圖8所示。

由圖8可以看出，由于爐芯位置的偏移，會(huì)造成等溫線中心位置的偏移，從而造成了主腔等溫線的疏密程度發(fā)生了很大的變化，因此，加熱絲溫度均勻的情況下，等溫線較為規(guī)則，等溫線疏密不同，造成統(tǒng)一圓周上測(cè)溫點(diǎn)的溫度不同。

2）加熱溫度均勻度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

主腔空氣層對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布和等溫線分布如圖9所示。

圖9 主腔空氣層對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布和等溫線分布圖

圖9對(duì)照?qǐng)D6可以看出，如果加熱絲的溫度非均勻，則對(duì)主腔空氣層溫度等溫線的形狀有所影響，圖6中均勻加熱時(shí)，對(duì)應(yīng)溫度線近似為同心圓，即處于同一圓周的測(cè)溫點(diǎn)的溫度大致一樣，而由圖9可以看出，如果加熱絲的溫度存在差異，等溫線的形狀發(fā)生變化，會(huì)對(duì)處于同一圓周的測(cè)溫點(diǎn)的溫度產(chǎn)生影響。

3）保溫層均勻度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

主腔空氣層對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布圖和等溫線分布如圖10所示。

從圖10可以看出，在爐芯無(wú)偏移，加熱絲溫度均勻，保溫層分布非均勻的情形下，主腔空氣層的溫度場(chǎng)受到影響，特別是靠近保溫層的邊緣部分，等溫線的形狀變化較大，而接近中心的部分等溫線基本保持同心圓的形狀。

圖10 主腔空氣層對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布圖和等溫線分布圖

本文對(duì)目前生產(chǎn)使用的拉絲爐進(jìn)行了溫度場(chǎng)測(cè)試，制作了4點(diǎn)測(cè)溫工裝，將測(cè)溫工裝插入拉絲爐中，加熱溫度設(shè)置為755℃，利用測(cè)溫儀器測(cè)得4點(diǎn)的溫度分別是737℃、732℃、734℃、731℃，在4點(diǎn)形成的圓周上的溫度存在差異。拉絲爐實(shí)際測(cè)溫結(jié)果表明，爐內(nèi)溫度場(chǎng)存在分布不均勻現(xiàn)象，驗(yàn)證了非理想情形下的拉絲爐模型仿真結(jié)果的參考意義。

3 結(jié)論

根據(jù)拉絲爐的模型與理論分析結(jié)果可以看出，影響拉絲爐內(nèi)部主腔和副腔的溫度場(chǎng)的分布與多種因素有關(guān)，主要包括爐芯中心位置、纏繞于碳化硅上加熱絲溫度均勻度和保溫層的均勻度。爐芯位置的偏移，會(huì)造成等溫線中心位置的偏移，從而造成了主腔等溫線的疏密程度發(fā)生了很大的變化；加熱絲的溫度存在差異，等溫線的形狀發(fā)生變化，會(huì)對(duì)處于同一圓周的測(cè)溫點(diǎn)的溫度產(chǎn)生影響；保溫層的非均勻分布，會(huì)對(duì)主腔空氣層的溫度場(chǎng)造成影響，特別是靠近保溫層的邊緣部分，等溫線的形狀變化較大。根據(jù)理論分析結(jié)果，在設(shè)計(jì)微通道板拉絲爐時(shí)，可以在以下3個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

1）在進(jìn)行拉絲爐裝配時(shí)，要盡可能減小爐芯的中心的偏移量，保證爐腔內(nèi)等溫線的形狀和中心保持穩(wěn)定；

2）盡可能保證加熱絲加熱溫度均勻，在通過(guò)同樣電流大小的前提下，盡可能保證繞于碳化硅上的加熱絲的疏密程度保持一致，從而保證各段加熱絲阻值基本相等，發(fā)熱功率和溫度保持一致；

3）在實(shí)際中，保溫層的均勻性比較難于量化，因此需要在實(shí)際裝配時(shí)，保證保溫層在直觀意義上的均勻性，同時(shí)可以選擇一種保溫特性更加優(yōu)異的材質(zhì)。

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Temperature Field of Glass Fiber-Drawing Furnaces for Microchannel Plate Fabrication

CONG Xiaoqing，SUN Jianning，ZHANG Jiawei，LIU Wenwei，ZHANG Zhengjun，XU Wei，QIAN Lin，LI Jingwen，SUN Sailin，RUAN Kai，LIN Zheng

(Nanjing Branch, North Night Vision Technology Co. Ltd, Nanjing 211106, China)

The glass fiber used in microchannel plate fabrication must be drawn in drawing furnaces. The temperature field distribution of the drawing furnace directly affects the uniformity of the wire diameter. Owing to the lack of theoretical research on glass fiber-drawing furnaces for microchannel plate fabrication, the designed drawing furnace and performance differences are based on experience. Based on the actual structure of a drawing furnace, this study aims to develop its corresponding 3D model on the basis of the theory of heat transfer analysis and to investigate the effects of the center of the furnace core, the uniformity of the heat insulation layer, and the drawing furnace temperature uniformity on the internal temperature field. Based on the theoretical analysis results, three suggestions are given to improve the drawing furnace for making micro channel plate.

micro channel plate, drawing furnace, model, temperature field

TQ171.6

A

1001-8891(2021)05-0490-06

2020-07-28；

2020-10-17.

叢曉慶（1977-），女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⑼ǖ腊逍阅芨倪M(jìn)與技術(shù)開(kāi)發(fā)。E-mail：cong_stone@163.com。